CN106093904B - 基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其包括以下步骤，初始化雷达扫描图像中所有检测单元的杂波功率估计值；获取雷达当前扫描图像中所有检测单元的测量值；计算当前扫描图像中每个检测单元第一级检测的高门限和低门限；根据检测单元的测量值与高门限和低门限的大小关系，确定其第一级检测的统计量；将每个检测单元的第一级检测的统计量分别存入一个移位寄存器；对每个移位寄存器内的所有第一级检测的统计量求和得到第二级检测的统计量，并将计数器累积一次；根据第二级检测的统计量与第二级检测门限及计数器的累计值与移位寄存器的长度之间的大小关系，确定当前扫描图像中是否有目标出现和是否更新杂波图。

Description

基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法

技术领域

本发明涉及雷达信号检测领域，具体涉及一种基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法。

背景技术

雷达信号检测总是在杂波背景下进行的，而杂波功率是随环境和时间而发生变化的，故检测门限也应该随杂波功率的变化而实时地改变，否则就会导致虚警概率的增加或者检测概率的降低。

目前常采用恒虚警检测(CFAR)获得恒定的虚警概率以及可预知且稳定的检测性能，CFAR的核心处理就是对背景杂波的功率电平进行估计，根据估计方法的不同，可以分为两大类：一类是空域CFAR，也称为邻近单元CFAR，另一类是时域CFAR，也称为杂波图CFAR。

在进行雷达信号检测时，当杂波背景非均匀(如杂波功率出现突变)或者相邻空域单元有多个目标存在时，邻近单元CFAR的检测性能将出现不同程度的下降。当目标信杂比较低(如低于10dB)时，杂波图CFAR检测性能将会大大降低，此外，还可能会发生目标遮挡现象(即前次扫描时未检测到的弱目标被当作杂波进行更新，使得该检测单元的杂波功率被提高，致使后续扫描时同位置出现的强目标也无法被检测到的现象)。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法解决了现有方法在低信杂比条件下检测性能下降和容易发生目标遮挡的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其包括以下步骤：

步骤S1，初始化雷达扫描图像中所有检测单元的杂波功率估计值；

步骤S2，获取雷达当前扫描图像中所有检测单元的测量值；

步骤S3，计算当前扫描图像中每个检测单元第一级检测的高门限和低门限；

步骤S4，根据检测单元的测量值与高门限和低门限的大小关系，确定其第一级检测的统计量；

步骤S5，将每个检测单元的第一级检测的统计量分别存入一个移位寄存器；

步骤S6，对每个移位寄存器内的所有第一级检测的统计量求和得到第二级检测的统计量，并将计数器累积一次；

步骤S7，根据第二级检测的统计量与第二级检测门限及计数器的累计值与移位寄存器的长度之间的大小关系，确定当前扫描图像中是否有目标出现和是否更新杂波图。

本发明的有益效果为：本方案的杂波图恒虚警方法相对于现有的杂波图CFAR技术而言，其能够有效提高低信杂比条件下弱目标的检测性能，有效避免目标遮挡现象；在非均匀杂波背景和多目标干扰环境下，本方案的方法均能够保持良好的检测性能。

附图说明

图1为基于多帧双门限两检测机制级的杂波图恒虚警方法一个实施例的流程图。

图2为基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法另一个实施例的流程图。

图3a为仿真案例1中现有的杂波图CFAR在第50次扫描第15个方位单元上对第一个目标的检测结果

图3b为仿真案例1中现有的杂波图CFAR未能被发现第一个目标，将其当成杂波数据进行更新的结果以及在第54次扫描第15个方位单元上对第二个目标的检测结果。

图3c为图3b的局部放大图。

图4a为仿真案例1中本方案的杂波图恒虚警方法在第50次扫描第15个方位单元上对第一个目标的检测结果。

图4b为仿真案例1中本方案的杂波图恒虚警方法在第51次扫描第15个方位单元上对第一个目标的检测结果。

图4c为仿真案例1中本方案的杂波图恒虚警方法在第52次扫描第15个方位单元上对第一个目标的检测结果。

图4d为仿真案例1中本方案的杂波图恒虚警方法在第53次扫描第15个方位单元上对第一个目标的检测结果。

图4e为仿真案例1中本方案的杂波图恒虚警方法在第54次扫描第15个方位单元上对第二个目标的检测结果。

图5为仿真案例2中现有的杂波图CFAR的目标检测结果。

图6a为仿真案例2中本方案的杂波图恒虚警方法在第50次扫描第10个方位单元上的目标检测结果。

图6b为仿真案例2中本方案的杂波图恒虚警方法在第51次扫描第10个方位单元上的目标检测结果。

图6c为仿真案例2中本方案的杂波图恒虚警方法在第52次扫描第10个方位单元上的目标检测结果。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了基于多帧双门限两检测机制级的杂波图恒虚警方法S一个实施例的流程图；如图1所示，该杂波图恒虚警方法包括步骤S1至步骤S7。

在步骤S1中，初始化雷达扫描图像中所有检测单元的杂波功率估计值；具体为将雷达第一次扫描的测量值q1作为杂波功率估计的初始值p1，另外还需要将计数器初始化为0，长度为N的移位寄存器初始化为0。

在步骤S2中，获取雷达当前扫描图像中所有检测单元的测量值；此处的当前扫描图像至少为第二次扫描获得。

在步骤S3中，计算当前扫描图像中每个检测单元第一级检测的高门限和低门限；对于步骤S3至步骤S7，每个检测单元可以同步执行，也可以在一个检测单元执行完了再继续另一个检测单元的相应操作。

在本发明的一个实施例中，步骤S3中计算每个检测单元第一级检测的高门限和低门限可以采用以下具体方法来实现：

S_H＝T_Hp_n-1，S_L＝T_Lp_n-1

其中，S_H为第一级检测的高门限，S_L为第一级检测的低门限，T_H为高门限标称化因子，T_L为低门限标称化因子，p_n-1是检测单元第n-1次扫描后的杂波功率估计值。

在步骤S4中，根据检测单元的测量值与高门限和低门限的大小关系，确定其第一级检测的统计量；其中，每个检测单元第一级检测的统计量可能存在三种结果，如图2所示，本方案采用以下方法进行检测单元第一级检测的统计量的确定：

若q_n>S_H，则Z＝K；若S_L≤q_n≤S_H，则Z＝1；若q_n<S_L，则Z＝0；

其中，Z为第一级检测的统计量，q_n为检测单元第n次扫描的测量值，K为第二级检测门限。

在步骤S5中，将每个检测单元的第一级检测的统计量分别存入一个移位寄存器；若在上一次雷达扫描图像处理时，在目标判断和杂波图是否更新步骤中未对移位寄存器进行清空，则下一次雷达扫描图像处理时，移位寄存器中还存储有该检测单元上一次或上几次第一级检测的统计量，此处将该次检测的第一级检测的统计量顺序存入移位寄存器内即可。

在步骤S6中，对每个移位寄存器内的所有第一级检测的统计量求和得到第二级检测的统计量，并将计数器累积一次。

在步骤S7中，根据第二级检测的统计量与第二级检测门限及计数器的累计值与移位寄存器的长度之间的大小关系，确定当前扫描图像中是否有目标出现和是否更新杂波图。

如图2所示，实施时，优选在步骤S7中根据第二级检测的统计量与第二级检测门限及计数器与移位寄存器的长度之间的大小关系，确定当前扫描图像中是否有目标出现和是否更新杂波图进一步包括以下步骤：

步骤S71，若M≥K，则有目标，不更新杂波图，并令p_n＝p_n-1，同时清空移位寄存器，并将计数器清0；

步骤S72，若M<K，且count<N，则无目标，不更新杂波图，并令p_n＝p_n-1；

步骤S73，若M<K，且count＝N，则无目标，更新杂波图，同时清空移位寄存器，并将计数器清0；

其中，M为第二级检测的统计量，K为第二级检测门限，count为计数器的累计值，N为移位寄存器的长度，p_n-1为检测单元第n-1次扫描后的杂波功率估计值，p_n为检测单元第n次扫描后的杂波功率估计值。

如图2所示，在步骤S73中更新杂波图的具体方法为：

p_n＝q_nw+p_n-1(1-w)

其中，p_n-1为检测单元第n-1次扫描后的杂波功率估计值，p_n为检测单元第n次扫描后的杂波功率估计值，q_n为检测单元第n次扫描的测量值，w为遗忘因子。

下面通过两个仿真例进一步对本方案的杂波图恒虚警方法的效果进行详细地说明：

仿真案例1

设背景杂波服从瑞利分布，平均功率为20dB，目标起伏模型服从Swerling I型。将雷达扫描区域划分为30个方位单元×300个距离单元(相当于9000个检测单元)的杂波图。设前49次扫描过程中均没有目标出现，第50次扫描时，在第15个方位单元，第100个距离单元的位置注入第一个目标，功率为28dB，即第一个目标的信杂比为8dB；第54次扫描时，在同一位置注入第二个功率为35dB的目标，即第二个目标的信杂比为15dB。分别采用现有的杂波图CFAR和本发明的杂波图恒虚警方法进行目标检测，其中，本发明中移位寄存器的长度取值为N＝4，第二级检测门限取为K＝3。

现有的杂波图CFAR检测及杂波图更新结果分别如图3a～3c所示，下面结合图3a～3c对现有的杂波图CFAR的检测及杂波图更新情况进行说明：

由于第一个目标的信杂比只有8dB，现有的杂波图CFAR方法未能将其检测出来，出现了漏警，如图3a所示。此外，由于第一个目标未能被发现，被当成杂波数据进行更新，从而导致该检测单元的杂波功率估计值被提高，检测门限也随之被抬高。

故，在第54次扫描时，虽然第二个目标的信杂比有15dB，但此时该单元的检测门限已被抬得相对较高，导致第二个目标也没有被检测出来，即：出现了目标遮挡，如图3b和3c所示。

本方案的杂波图恒虚警方法检测及杂波图更新结果分别如图4a～4e所示，下面结合图4a～4e对本方案的杂波图恒虚警方法检测及杂波图更新情况进行说明：

采用本发明的方法进行检测时，如图4a～4d所示，在第50到第53次扫描中，第一个目标的回波功率均没有超过第一级检测的高门限，但在50、52和53次扫描中都超过了第一级检测的低门限。

因此，当第53次扫描结束后，第二级检测就会给出“有目标(H₁)”的判决结果，从而成功检测到第一个目标。同时，根据前述的杂波图更新规则，在第50到第53次扫描中，该检测单元的杂波功率估计值不会被更新，所以第一级的检测门限也不会被抬高。

当第54次扫描出现第二个目标时，如图4e所示，其回波功率高于第一级检测的高门限，经第二级检测后直接给出“有目标(H₁)”的判决结果，所以第二个目标也被成功检测到。

该仿真案例表明，当目标信杂比较低时，现有的杂波图CFAR方法容易出现漏检，并且未检测到的弱目标被看作杂波数据进行更新，进而可能会遮挡同一位置后续出现的强目标，甚至会造成持续漏检；而本发明不但能够成功检测出信杂比较低的弱目标，而且能够有效避免目标遮挡现象。

仿真案例2

设杂波背景服从瑞利分布，将雷达扫描区域划分为30个方位单元×300个距离单元(相当于9000个检测单元)的杂波图，其中前150个距离单元内杂波的平均功率为20dB，后150个距离单元内杂波的平均功率增加到30dB。设前49次扫描过程中均没有目标出现，在第50次扫描时在杂波边缘附近注入4个目标。目标位置及回波功率如下：

目标1：(第10个方位单元，第135个距离单元)，功率为29dB，信杂比为9dB；目标2：(第10个方位单元，第142个距离单元)，功率为35dB，信杂比为15dB；目标3：(第10个方位单元，第149个距离单元)，功率为31dB，信杂比为11dB；目标4：(第10个方位单元，第157个距离单元)，功率为45dB，信杂比为15dB。

分别采用现有的杂波图CFAR和本发明进行目标检测，同样，本发明中N＝4，K＝3。现有的杂波图CFAR检测结果如图5所示，本方案的杂波图恒虚警方法检测结果如图6a～6c所示。

采用现有的杂波图CFAR进行检测时，由于目标2和目标4的信杂比较高，可以被检测到，而目标1和目标3的信杂比较低，均出现了漏警。

采用本方案的方法进行检测时，目标2和目标4的功率均超过了第一级检测的高门限，所以第50次扫描结束，第二级检测就给出了H₁的判决结果；而目标1和目标3的功率介于第一级检测的高、低门限之间，经过三帧扫描检测，即第52次扫描结束后，第二级检测就会给出H₁的判决结果。所以，四个目标均被成功检测出来。

该仿真例表明，在非均匀杂波背景和多目标干扰环境下，本方案提供的方法仍然具有良好的检测性能；并且相对于现有的杂波图CFAR技术，本发明依然表现出适用于弱目标检测的性能优势。

备注：关于仿真案例1和仿真案例2中出现的H₀表示无目标出现，H₁表示有目标出现。

本发明用于雷达目标检测时，可以大大提高低信杂比条件下的弱目标检测性能及有效避免目标遮挡问题，另外，在非均匀杂波背景和多目标干扰环境下，采用本方案的方法的检测性能均不受影响。

综上所述，本方案的杂波图恒虚警方法用于雷达目标检测时，具有检测性能高、复杂环境的适应能力强的优势。

Claims (5)

1.基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，初始化雷达扫描图像中所有检测单元的杂波功率估计值；

步骤S2，获取雷达当前扫描图像中所有检测单元的测量值；

步骤S3，计算当前扫描图像中每个检测单元第一级检测的高门限和低门限；

步骤S4，根据检测单元的测量值与高门限和低门限的大小关系，确定其第一级检测的统计量；

步骤S5，将各个检测单元的第一级检测的统计量分别存入各个移位寄存器；

步骤S6，对每个移位寄存器内的所有第一级检测的统计量求和得到第二级检测的统计量，并将计数器累积一次；

步骤S7，根据第二级检测的统计量与第二级检测门限及计数器的累计值与移位寄存器的长度之间的大小关系，确定当前扫描图像中是否有目标出现和是否更新杂波图。

2.根据权利要求1所述的基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其特征在于：所述步骤S7进一步包括：

步骤S71，若M≥K，则有目标，不更新杂波图，并令p_n＝p_n-1，同时清空移位寄存器，并将计数器清0；

步骤S72，若M<K，且count<N，则无目标，不更新杂波图，并令p_n＝p_n-1；

步骤S73，若M<K，且count＝N，则无目标，更新杂波图，同时清空移位寄存器，并将计数器清0；

其中，M为第二级检测的统计量，K为第二级检测门限，count为计数器的累计值，N为移位寄存器的长度，p_n-1为检测单元第n-1次扫描后的杂波功率估计值，p_n为检测单元第n次扫描后的杂波功率估计值，n≥2。

3.根据权利要求2所述的基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其特征在于：步骤S73中更新杂波图的具体方法为：

p_n＝q_nw+p_n-1(1-w)

其中，p_n-1为检测单元第n-1次扫描后的杂波功率估计值，p_n为检测单元第n次扫描后的杂波功率估计值，q_n为检测单元第n次扫描的测量值，n≥2，w为遗忘因子。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其特征在于：步骤S3中计算每个检测单元第一级检测的高门限和低门限的具体方法为：

S_H＝T_Hp_n-1，S_L＝T_Lp_n-1

其中，S_H为第一级检测的高门限，S_L为第一级检测的低门限，T_H为高门限标称化因子，T_L为低门限标称化因子，p_n-1是检测单元第n-1次扫描后的杂波功率估计值，n≥2。

5.根据权利要求4所述的基于多帧双门限两级检测机制的杂波图恒虚警方法，其特征在于：步骤S4中根据检测单元的测量值与高门限和低门限的大小关系，确定检测单元第一级检测的统计量的方法为：

若q_n>S_H，则Z＝K；若S_L≤q_n≤S_H，则Z＝1；若q_n<S_L，则Z＝0；

其中，Z为第一级检测的统计量，q_n为检测单元第n次扫描的测量值，K为第二级检测门限，n≥2。